125 t單相電渣重熔爐與分時段電極調(diào)節(jié)控制

伍國洪 王衛(wèi)紅 石 晛 季 霜

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，2.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司)

隨著我國電渣冶金技術(shù)的迅速發(fā)展，以前需要從國外進(jìn)口的高精尖產(chǎn)品也正逐漸被國產(chǎn)替代。大型電渣錠的生產(chǎn)是我國電渣重熔發(fā)展的必然趨勢。電渣重熔爐可分為單相電渣重熔爐和三相電渣重熔爐。單相電渣重熔爐由于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計、制造，造價較低，具有易于操作和檢修維護(hù)方便等優(yōu)點[1-2]，近年來被廣泛應(yīng)用。2017年底，二重重型裝備有限公司引進(jìn)了奧地利因泰克(INTECO)公司的125 t級氣體保護(hù)電渣重熔爐，它是國內(nèi)首臺單相大型電渣重熔爐，擁有雙工位、雙爐頭、雙預(yù)熱工位，可采用電極坯交替生產(chǎn)模式，主工位最大生產(chǎn)125 t電渣錠，副工位最大生產(chǎn)40 t電渣錠。125 t電渣重熔爐為二重重型裝備有限公司成功開發(fā)研制了Cr12轉(zhuǎn)子、燃機(jī)輪盤、核電主管道和核電堆內(nèi)構(gòu)件等尖端產(chǎn)品。

1 125 t單相電渣重熔爐的基本情況

1.1 125 t單相電渣重熔爐結(jié)構(gòu)

125 t單相電渣重熔爐是雙爐頭、雙熔煉工位的單相電渣爐。125 t單相電渣重熔爐采用雙電源變壓器供電，每個工位分別配備一臺電源變壓器。

125 t單相電渣重熔爐采用獨立雙爐頭設(shè)計，整個系統(tǒng)包含兩套獨立的冶煉控制系統(tǒng)，當(dāng)一個爐頭生產(chǎn)時另一個爐頭可以檢修或準(zhǔn)備生產(chǎn)。

125 t單相電渣重熔爐有兩個獨立爐頭(1號和2號)。每個爐頭正中間安裝導(dǎo)電立柱，導(dǎo)電立柱可以上下運動，與導(dǎo)電母排之間采用滑動接觸器連接。爐頭上安裝高精度的稱重傳感器，可以對電極坯的質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)稱量。爐頭上還裝有除塵裝置、氣體密封罩和自動稱料加料裝置等。爐頭下方有4個工位，分別是1號爐頭預(yù)熱工位、主熔煉工位、2號爐頭預(yù)熱工位、副熔煉工位。主熔煉工位設(shè)計在中心位置，副熔煉工位設(shè)計在外側(cè)。在主熔煉工位兩旁，是兩個預(yù)熱工位，預(yù)熱冶煉用的電極坯。

1.2 單相電渣重熔爐重熔原理

單相電渣重熔爐重熔原理如圖1所示。電極坯固定于電極夾持器上，結(jié)晶器通入循環(huán)冷卻水，變壓器采用A、B兩相供電。A、B兩相電源經(jīng)過導(dǎo)電母排、導(dǎo)電立柱、電極坯、結(jié)晶器底水箱形成冶煉回路。送電引弧后，電極坯受到渣阻產(chǎn)生的熱量不斷熔化，渣池和熔池逐漸形成。金屬熔液穿過渣池時與爐渣發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，從而可去除金屬中有害雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物[3]。電渣錠由下而上逐漸凝固，熔池和渣池不斷地向上移動。

圖1 單相電渣重熔爐重熔原理

1.3 125 t單相電渣重熔爐工作模式

1號爐頭和2號爐頭可以單獨移動到主熔煉工位進(jìn)行重熔生產(chǎn)，也可以交替在主熔煉工位重熔，生產(chǎn)大型的電渣錠。

當(dāng)生產(chǎn)大于40 t的電渣錠時，由于每支電極坯的長度和直徑受到一定的限制，需要多支電極坯才能重熔成一支大型電渣錠，這時兩個爐頭就需要交替重熔生產(chǎn)。1號爐頭電極坯熔煉時，2號爐頭電極坯在2號爐頭預(yù)熱工位預(yù)熱，預(yù)熱溫度通常為750 ℃左右。當(dāng)1號爐頭電極坯熔煉還剩200 kg時(剩余質(zhì)量可根據(jù)冶煉工藝設(shè)定)，控制系統(tǒng)發(fā)出電極交換指令。1號爐頭停止冶煉，剩余電極坯與導(dǎo)電立柱、保護(hù)罩一起抬起，移向1號爐頭預(yù)熱工位。同時，2號爐頭電極坯從2號爐頭預(yù)熱工位內(nèi)抬起，移向主熔煉工位，到達(dá)主熔煉工位后，電極坯與導(dǎo)電立柱、保護(hù)罩一起下降，直到保護(hù)罩蓋在結(jié)晶器上，此時繼續(xù)送電冶煉，電極交換完成。每次電極交換的時間控制在200 s以內(nèi)。

當(dāng)生產(chǎn)小于40 t的電渣錠時，為提高電渣錠的生產(chǎn)效率，主熔煉工位和副熔煉工位可以同時生產(chǎn)。把需要重熔的電極坯分別置于1號爐頭和2號爐頭上。1號爐頭的電極坯在主熔煉工位冶煉，2號爐頭的電極坯在副熔煉工位冶煉。

2 分時段控制電極調(diào)節(jié)

125 t單相電渣重熔爐電極調(diào)節(jié)控制方式采用分時段控制。整個冶煉過程分為起弧時段、精煉時段和封頂時段。不同時段對應(yīng)采用的控制為起弧控制、熔速控制與擺幅控制和封頂控制。

2.1 起弧時段

起弧時段是冶煉初期，形成渣池和熔池的過程。采用起弧控制，此時要保證電弧連續(xù)，不能出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象。此階段電極調(diào)節(jié)控制器采用恒電壓控制，電壓按工藝預(yù)先給定的電壓曲線運行。125 t單相電渣重熔爐變壓器的二次輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為48～155 V，起弧曲線的電壓參數(shù)設(shè)置由低到高，為了保證引弧時電弧的連續(xù)、穩(wěn)定，引弧電壓選用72 V左右。

熔煉前期爐口電壓由72 V逐漸升高到105 V，電流從30 000 A逐漸升高到50 000 A。在此階段金屬熔池和渣池不斷形成，直到金屬熔池和渣池達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，電流平穩(wěn)運行在45 000 A左右。

2.2 精煉時段

精煉時段是渣池和熔池形成后，穩(wěn)定熔煉的過程，熔速穩(wěn)定是決定重熔質(zhì)量的關(guān)鍵[4]。為了使電極坯的熔化速度和電渣錠的凝固速度穩(wěn)定，采用恒熔速控制，使電極坯的熔化速度等于冶煉工藝給定的熔化速度。125 t單相電渣重熔爐裝有精準(zhǔn)的稱重系統(tǒng)。通過稱重系統(tǒng)測量出實際電極坯的熔化速度并反饋到控制系統(tǒng)，與給定的熔速進(jìn)行對比，調(diào)整變壓器的輸出功率，保證電極坯熔速的穩(wěn)定。

渣阻是影響熔速變化的一個關(guān)鍵因素，保證電極坯熔速穩(wěn)定必須對渣阻進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。通過控制電極坯插入渣池的深度可以控制渣阻值，電極坯插入渣池越深，渣阻越小。渣阻的大小無法直接測量，可以通過間接測量方法計算。電極坯、結(jié)晶器中的鋼錠阻值很小，可以忽略不計，根據(jù)公式R=U/I得到的電阻就是渣阻，其中U為爐口電壓，I為熔煉電流[5]。在變壓器輸出電壓不變的情況下，爐口電壓近似為渣阻兩端的電壓，爐口電壓的變化可直接反映渣阻的變化。

通過以上分析，在精煉過程中要實現(xiàn)恒熔速控制，必須同時對渣阻和熔速進(jìn)行控制。125 t單相電渣重熔爐精煉時段控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，即熔速閉環(huán)控制和擺幅閉環(huán)控制，見圖2和圖3。熔速閉環(huán)控制：根據(jù)不同鋼種的需要，設(shè)定熔煉速度V0作為工藝給定熔煉速度，熔煉過程中通過電子稱測得電極坯的消耗速度V1，二者進(jìn)行比較得到ΔV，即ΔV=V0-V1。熔速控制器根據(jù)ΔV的大小，通過電源控制器緩慢調(diào)整變壓器輸出功率，使熔煉速度接近或達(dá)到冶煉工藝要求的熔煉速度。擺幅閉環(huán)控制：根據(jù)實測的爐口電壓與電流測算出渣阻值R1，與工藝給定的渣阻值R0進(jìn)行比較得到ΔR，即ΔR=R0-R1。電極運動控制器根據(jù)ΔR的大小，調(diào)整變頻器輸出，控制電極坯在渣池中緩慢地上下移動，保持電極坯在渣池中的插入深度基本固定。通過調(diào)節(jié)變壓器的輸出功率和電極坯插入渣池的深度，保持熔煉速度穩(wěn)定。

圖2 熔速閉環(huán)控制原理

圖3 擺幅閉環(huán)控制原理

精煉時段爐口電壓逐漸減小到95～98 V，電流在40 000～45 000 A，保持平穩(wěn)運行。在熔煉過程中，電極坯自身質(zhì)量減少，對應(yīng)的電阻值也減小，根據(jù)歐姆定律I=U/R，當(dāng)電壓不變，電阻減小時，電流增大。這時擺幅控制器通過電極驅(qū)動，提升電極。電流增大，對應(yīng)熔速增大，當(dāng)熔速控制器檢測到熔速變化，降低變壓器輸出功率，電流減小，此時擺幅控制器通過電極驅(qū)動，下降電極。這樣就克服了電極坯自身重量變化對熔速的影響，同時保持了電極坯在渣池中插入深度不變。

2.3 封頂時段

封頂時段是冶煉后期補(bǔ)縮過程，熔速逐漸降低，熔池逐漸縮小。封頂時段采用熔煉功率遞減的方法，根據(jù)工藝電壓曲線調(diào)節(jié)變壓器的輸出電壓，控制方式為恒電壓控制。封頂時段爐口電壓逐漸降為80 V，電流逐漸減小到25 000 A。封頂時段通常會持續(xù)8 h以上，在這個過程中金屬熔池隨著電壓的降低逐漸縮小，直到冶煉停止。

3 結(jié)論

文章介紹了125 t單相電渣重熔爐的整體結(jié)構(gòu)，闡述了單相電渣爐的重熔原理和過程。分析了125 t單相電渣重熔爐在冶煉過程中采用分時段電極調(diào)節(jié)控制方式的特點，分別對每個時段的控制方法進(jìn)行了介紹。分時段控制是目前比較完善的一種控制方式，它彌補(bǔ)了恒功率控制的不足，提高了電渣錠質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。